一种撞击式喷注器冷却隔板的制作方法

1.本发明涉及喷注器隔板，具体涉及一种撞击式喷注器用冷却隔板。


背景技术：

2.开式循环液氧煤油发动机推力室其工作环境具有高温(～3600k)、高压(》8mpa)、高热流密度(～60mw/m2)的显著特点。
3.喷注器是推力室的关键组件，主要作用是将推进剂组元进行喷射、雾化、混合，保证发动机高效率、稳定燃烧，对发动机的工作性能、工作可靠性起决定性作用。
4.由于推力室秒流量大、燃烧室结构尺寸小，推进剂的燃烧距离短，燃烧不稳定性问题非常突出。为抑制高频燃烧不稳定性，大尺寸开式循环液氧煤油发动机采用一周六径隔板，隔板固定在喷注器面，并伸入高温燃气中，工作过程中直接与燃烧室高温燃气接触，必须保证其可靠冷却，否则容易烧蚀甚至瞬间烧毁。
5.现有技术为实现隔板可靠冷却，采取的技术途径主要有：一是隔板采用隔板喷嘴，通过煤油的再生冷却来加强换热，如高的流速；二是隔板采用导热系数高的铜合金材料；三是选取合适的结构尺寸，包括合理的隔板高度。低成本、开式循环液氧煤油发动机推力室隔板，为实现低成本，隔板材料没有选用高强铜合金，还是选用普通不锈钢，如1cr18ni9ti，或者高温合金；为实现简化或钎焊流程，隔板没有采用隔板喷嘴，还是夹层再生冷却结构的固壁隔板。由于液氧煤油推进剂相对四氧化二氮/偏二甲肼等推进剂，在相同的喷注器结构下的燃烧过程更加剧烈，燃烧火焰面更加短，且当量混合比下的燃烧温度高约200℃，这使得隔板的热环境更加恶劣，隔板更加容易烧蚀。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种撞击式喷注器冷却隔板。
7.为此，本发明所提供的撞击式喷注器冷却隔板包括：
8.主体筒，该主体筒的壁上设有第一夹层，该第一夹层内设有第一冷却介质通道，所述第一冷却介质通道分布于主体筒的整个筒壁；主体筒壁上设有多个与第一冷却介质通道相通的第一冷却介质流通口，且多个第一冷却介质流通口沿主体筒的周向分布，同时各第一冷却介质流通口朝向主体筒外；
9.多个侧板，各侧板主体为板状结构，各侧板内设有第二夹层，第二夹层内设有第二冷却介质通道；各侧板的一端设有与第二冷却介质通道相通的第二冷却介质流通口，另一端设有与第二冷却介质通道相通的冷却介质进出口；
10.各第一冷却介质流通口处安装有一侧板，且侧板的第二冷却介质流通口与相应第一冷却介质流通口连通，同时各侧板沿主体筒的径向安装；相邻侧板之间形成扇形区域；
11.冷却介质经一侧板上的冷却介质进出口进入相应侧板内第二冷却介质通道，依次经相应第二冷却介质流通口、第一冷却介质流通口进入第一冷却介质通道，之后经两侧相邻侧板的冷却介质进出口流出。
12.可选的方案是，所述侧板个数为3的倍数、且至少为6个。
13.可选的方案是，所述第一冷却介质通道包括多条通道a，且每条通道a围绕主体筒的周向设置，同时多条通道a沿主体筒的轴向依次分布，多条通道a均与第一冷却介质流通口相通。
14.可选的方案是，所述第二冷却介质通道包括多条通道b，且每条通道b沿冷却介质进出口至第二冷却介质流通口的方向设置，同时多条通道b沿主体筒的轴向分布，多条通道b均与第二冷却介质流通口和冷却介质进出口相通。
15.可选的方案是，冷却介质进出口与第二冷却介质流通通道之间设有第一缓冲腔。
16.可选的方案是，第二冷却介质流通通道与第二冷却介质流通口之间设有第二缓冲腔。
17.可选的方案是，第二冷却介质流通通道与第二冷却介质进出口之间或第二缓冲腔内设有加强件。
18.可选的方案是，所述加强件主体结构与第二缓冲腔适配，所述主体结构围绕轴向设有三个侧面，其中一个侧面为安装面，另外两个侧面均设有多条过渡通道，多条过渡通道在相应侧面上沿轴向分布；设有过渡通道的两个侧面相交的端部为齿状结构；所述加强件通过安装面固定在主体筒上；各过渡通道一端与第一冷却介质流通通道连通，另一端与第二冷却介质流通通道连通。进一步可选的方案是，所述齿状结构的齿端为尖角结构。所述过渡通道为弧形。
19.可选的方案是，所述第二冷却介质流通通道与加强件之间留有间隙。
20.可选的方案是，所述主体筒上开设多个与第一冷却介质流通通道相通的喷孔，且喷孔位于第一冷却介质流通口附近。
21.可选的方案是，各介质进出口位于或靠近主体筒轴向方向上的一端。以满足安装和冷却介质进出和流动需求。
22.可选的方案是，所述主体筒包括内筒和外筒，内筒位于外筒中，且内筒与外筒之间形成第一夹层；所述侧板由两块板材构成，所述第二夹层位于两块板材之间；且各板材与相应部位的外筒为一体结构。
23.可选的方案是，所述主体筒采用不锈钢材料，侧板采用高温合金材料。
24.可选的方案是，所述主体筒的轴向高度大于80mm，各侧板沿主体筒轴向方向上的高度尺寸与主体筒的轴向高度相同；主体筒径向尺寸范围为160～180mm，冷却隔板整体径向尺寸范围为400～420mm。
25.本发明的冷却隔板冷却介质流通通道采用多进多出结构形式，冷却介质从一块侧板进入，流经周向隔板后，最终从相邻径向隔板流出，实现冷却隔板的目的。
26.本发明的侧板与主体筒再生冷却通道交汇区域存在推进剂流动不畅形成的“死区”，在此区域局部设置合适尺寸的小喷孔，煤油从喷孔喷出，强化此区域内推进剂流动。
27.本发明主体筒可采用不锈钢材料，侧板采用高温合金材料，隔板采用不锈钢材料和高温合金组合，不锈钢与高温合金的导热系数均较低，导热系数为铜合金材料的1/10。
附图说明
28.图1为本发明实施例中冷却隔板的结构示意图；
29.图2为本发明实施例的冷却隔板中冷却介质的进出方向示意图；
30.图3为本发明实施例中主体筒上第二冷却介质流通通道分布示意图；
31.图4为本发明实施例中侧板内部的结构示意图；
32.图5为本发明实施例中加强件的结构示意图；
33.图6为本发明实施例中侧板与主体筒连接部位结构示意图。
具体实施方式
34.除非有特殊说明，本文中的科学与技术术语根据相关领域普通技术人员的认识理解。
35.本文所述轴向、径向、周向等方向或方位性术语与说明书附图中的相应方向或方位一致；需要说明的是，说明书附图中的具体方向或方位旨在解释本发明的清楚性，本领域技术人员在本文所公开内容基础上，可进行等同的调换、旋转或倒置变换。
36.参见图1所示，本发明的撞击式喷注器冷却隔板包括主体筒1和多个侧板2；其中，
37.主体筒上设有第一夹层，该第一夹层内设有第一冷却介质通道，所述第一冷却介质通道分布于主体筒的整个筒壁；主体筒壁上设有多个与第一冷却介质通道相通的第一冷却介质流通口4，且多个第一冷却介质流通口沿主体筒的周向分布，同时各第一冷却介质流通口朝向主体筒外；
38.各侧板主体为板状结构，各侧板内设有第二夹层，第二夹层内设有第二冷却介质通道，所述第二冷却介质通道分布于整个侧板内；各侧板的一端设有与第二冷却介质通道相通的第二冷却介质流通口，另一端设有与第二冷却介质通道相通的冷却介质进出口3；
39.各第一冷却介质流通口处安装有一侧板，且侧板的第二冷却介质流通口与相应第一冷却介质流通口连通，同时各侧板沿主体筒的径向安装；相邻侧板之间形成扇形区域；
40.结合图2所示，冷却介质经一侧板上的冷却介质进出口进入相应侧板内第二冷却介质通道，依次经相应第二冷却介质流通口、第一冷却介质流通口进入第一冷却介质通道，之后经两侧相邻侧板的冷却介质进出口流出。具体方案中，各部件之间可采用焊接等常见固定方式连接。
41.使用时，本发明的冷却隔板固定在喷注器面抑制高频燃烧不稳定性，并伸入高温燃气中，工作过程中直接与燃烧室高温燃气接触，冷却介质煤油由其中两块不相邻的侧壁的介质进出口进入，之后从各自两侧相邻侧板的冷却介质进出口流出，流经过程中冷却主体筒及相应侧板，从而避免被烧蚀。
42.有些方案中主体筒包括内筒和外筒，内筒位于外筒中，且内筒与外筒之间形成第一夹层；所述侧板由两块板材构成，所述第二夹层位于两块板材之间；且各板材与相应部位的外筒为一体结构；即主体筒的外筒由多个筒壁构成，各外筒壁与其两侧的侧板为一体结构。
43.具体方案中，侧板的数量需满足装置的工作要求，例如侧板数量为3的倍数，且至少为6个，图1和2所示装置中有6个侧板，将主体筒外周区域分隔为多个扇形区域，工作时6个侧板3进3出。
44.具体方案中，主体筒壁上第一冷却介质通道需分布于主体筒的整个壁，确保冷却完全，其具体布置方式之一可参见图3所示，第一夹层内设有多条通道a5，各通道围绕主体
筒设置，且多条通道a沿主体筒的轴向分布，冷却介质可沿多条通道a在第二夹层内流通，对主体筒壁及相关区域进行冷却。侧板夹层内的第二冷却介质通道分布于这个侧板内，其具体布置方式之一可参见图4所示，第二夹层内设有多条通道b7，每条通道b沿主体筒的径向布置，且多条通道b在第二夹层内沿主体筒的轴向分布；冷却介质进入侧壁后，经多条通道流经侧板，对侧板及相关区域进行冷却。
45.为降低冷却介质在冷却隔板内的流速，提高冷却介质流道均匀性，有些方案中，侧板上的冷却介质进出口与第二冷却介质流通通道之间设缓冲腔6，也可在第二冷却介质流通通道与第二冷却介质进出口(或第一冷却介质进出口)之间设缓冲腔。
46.为提高主体筒与侧板连接部位的连接强度，在第二流通通道与第二冷却介质流通口或者在第二缓冲腔内设有加强件8。加强件的主体结构与该区域的空间适配，一种具体结构如图5所示，该加强件的主体结构围绕其轴向设有三个侧面，其中一个侧面c为安装面，另外两个侧面均设有多条过渡通道51，多条过渡通道在相应侧面上沿轴向分布；所述加强件通过安装面固定在主体筒上；各过渡通道一端与第一冷却介质流通通道连通，另一端与第二冷却介质流通通道连通，与c面相对的另一端(或者设过渡通道的两个侧面相交的端部)为齿状结构52，朝向侧板，相邻齿之间位过渡通道，实现侧板与主体筒内流通通道转接；进一步优选方案中，齿端为尖角结构，减小局部流阻损失。优选方案中，所述过渡通道为弧形，可使得冷却介质顺利通过缓冲区进入第一夹层内。
47.还有些优选的方案中，参见图4所示，第二冷却介质流通通道与加强件之间留有一定间隙l，目的是使冷却介质从第二冷却介质流通通道流出后的流速降低，起到均流作用，取l＝1～2mm。
48.另有优选的方案中，参见图6所示示意图，侧板2与主体筒1交汇区域存在冷却介质流动不畅形成的“死区”，在该区域局部设置喷孔9，孔径可选范围是φa＝0.8～1.5mm，如图6所示，以强化推进剂流动。优选方案中，喷孔轴线与其所在部位的主体筒直径方向呈一定夹角，目的是使冷却介质从小孔喷出后贴壁，在周向隔板1壁面上形成冷却液膜，冷却隔板，夹角a范围可选范围是60
°
～80
°
。
49.具体方案中，本发明冷却隔板的尺寸可根据使用安装环境确定，常见的使用场景下，本发明冷却隔板的主体筒的轴向高度大于80mm，各侧板沿主体筒轴向方向上的高度尺寸与主体筒的轴向高度相同；主体筒径向尺寸范围为160～180mm，冷却隔板整体径向尺寸范围为400～420mm。

技术特征：
1.一种撞击式喷注器冷却隔板，其特征在于，包括：主体筒(1)，该主体筒的壁上设有第一夹层，该第一夹层内设有第一冷却介质通道，所述第一冷却介质通道分布于主体筒的整个筒壁；主体筒壁上设有多个与第一冷却介质通道相通的第一冷却介质流通口，且多个第一冷却介质流通口沿主体筒的周向分布，同时各第一冷却介质流通口朝向主体筒外；多个侧板(2)，各侧板主体为板状结构，各侧板内设有第二夹层，第二夹层内设有第二冷却介质通道；各侧板的一端设有与第二冷却介质通道相通的第二冷却介质流通口，另一端设有与第二冷却介质通道相通的冷却介质进出口；各第一冷却介质流通口处安装有一侧板，且侧板的第二冷却介质流通口与相应第一冷却介质流通口连通，同时各侧板沿主体筒的径向安装；相邻侧板之间形成扇形区域；冷却介质经一侧板上的冷却介质进出口进入相应侧板内第二冷却介质通道，依次经相应第二冷却介质流通口、第一冷却介质流通口进入第一冷却介质通道，之后经两侧相邻侧板的冷却介质进出口流出。2.如权利要求1所述的撞击式喷注器冷却隔板，其特征在于，所述侧板个数为3的倍数、且至少为6个。3.如权利要求1所述的撞击式喷注器冷却隔板，其特征在于，所述第一冷却介质通道包括多条通道a，且每条通道a围绕主体筒的周向设置，同时多条通道a沿主体筒的轴向依次分布，多条通道a均与第一冷却介质流通口相通。4.如权利要求1所述的撞击式喷注器冷却隔板，其特征在于，所述第二冷却介质通道包括多条通道b，且每条通道b沿冷却介质进出口至第二冷却介质流通口的方向设置，同时多条通道b沿主体筒的轴向分布，多条通道b均与第二冷却介质流通口和冷却介质进出口相通。5.如权利要求1所述的撞击式喷注器冷却隔板，其特征在于，冷却介质进出口与第二冷却介质流通通道之间设有第一缓冲腔。6.如权利要求1所述的撞击式喷注器冷却隔板，其特征在于，第二冷却介质流通通道与第二冷却介质流通口之间设有第二缓冲腔。7.如权利要求6所述的撞击式喷注器冷却隔板，其特征在于，第二冷却介质流通通道与第二冷却介质进出口之间或第二缓冲腔内设有加强件。8.如权利要求7所述的撞击式喷注器冷却隔板，其特征在于，所述加强件主体结构与第二缓冲腔适配，所述主体结构围绕轴向设有三个侧面，其中一个侧面为安装面，另外两个侧面均设有多条过渡通道，多条过渡通道在相应侧面上沿轴向分布；设有过渡通道的两个侧面相交的端部为齿状结构；所述加强件通过安装面固定在主体筒上；各过渡通道一端与第一冷却介质流通通道连通，另一端与第二冷却介质流通通道连通。9.如权利要求8所述的撞击式喷注器冷却隔板，其特征在于，所述齿状结构的齿端为尖角结构。10.如权利要求8所述的撞击式喷注器冷却隔板，其特征在于，所述过渡通道为弧形。11.如权利要求6所述的撞击式喷注器冷却隔板，其特征在于，所述第二冷却介质流通通道与加强件之间留有间隙。12.如权利要求1所述的撞击式喷注器冷却隔板，其特征在于，所述主体筒上开设多个
与第一冷却介质流通通道相通的喷孔，且喷孔位于第一冷却介质流通口附近。13.如权利要求12所述的撞击式喷注器冷却隔板，其特征在于，所述第一喷孔的轴向相对于第一喷孔所在主体筒的直径倾斜。14.如权利要求12所述的撞击式喷注器冷却隔板，其特征在于，所述第一喷孔的孔径为φ0.8～φ1.5mm。15.如权利要求1所述的撞击式喷注器冷却隔板，其特征在于，各介质进出口位于或靠近主体筒轴向方向上的一端。16.如权利要求1所述的撞击式喷注器冷却隔板，其特征在于，所述主体筒包括内筒和外筒，内筒位于外筒中，且内筒与外筒之间形成第一夹层；所述侧板由两块板材构成，所述第二夹层位于两块板材之间；且各板材与相应部位的外筒为一体结构。17.如权利要求1所述的撞击式喷注器冷却隔板，其特征在于，所述主体筒采用不锈钢材料，侧板采用高温合金材料。18.如权利要求1所述的撞击式喷注器冷却隔板，其特征在于，所述主体筒的轴向高度大于80mm，各侧板沿主体筒轴向方向上的高度尺寸与主体筒的轴向高度相同；主体筒径向尺寸范围为160～180mm，冷却隔板整体径向尺寸范围为400～420mm。

技术总结
本发明公开了一种撞击式喷注器冷却隔板。包括主体筒和多个侧板，主体筒的壁上设有第一夹层，该第一夹层内设有第一冷却介质通道，所述第一冷却介质通道分布于主体筒的整个筒壁；各侧板主体为板状结构，各侧板内设有第二夹层，第二夹层内设有第二冷却介质通道；各侧板沿主体筒的径向安装侧板内的冷却介质通道与主体筒壁上的冷却介质通道相通；相邻侧板之间形成扇形区域。本发明的冷却隔板冷却介质流通通道采用多进多出结构形式，冷却介质从一块侧板进入，流经周向隔板后，最终从相邻径向隔板流出，实现冷却隔板的目的。实现冷却隔板的目的。实现冷却隔板的目的。


技术研发人员：李龙飞 种衡阳 李平 王春民 杨宝庆 刘永兴 王化余 金丹
受保护的技术使用者：西安航天动力研究所
技术研发日：2023.03.03
技术公布日：2023/7/6